Конспект лекции "Газообмен в четырехтактном дизеле"

Процесс газообмена. Газообмен в четырехтактном дизеле.

Процесс газообмена (наполнения). Физические основы. Критерии оценки газообмена (наполнения)

Общие сведения. Для осуществления рабочего цикла необходимо после завершения процесса расширения удалить из цилиндра про­дукты сгорания и заполнить его к началу сжатия зарядом свежего воздуха. Эти задачи решаются в процессе газообмена. Схема газо­воздушного тракта двигателя с наддувом и обозначения параметров воздуха и газов в отдельных его элементах показаны на рис. 10.2.

Параметры воздуха и газов на выпуске и впуске. Заданную сте­пень форсирования рабочего процесса обусловливает давление над­дува p_s, которое представляет собой давление воздуха в ресиве­ре непосредственно перед впускными органами. Давление воз­духа p_k создаваемое наддувочными агрегатами (см. рис. 10.2), должно быть выше давления  на значение сопротивления возду­хоохладителя Δp=0.002-0.004 МПа. В свою очередь p_k = p₀π_k, (где  π_k — степень повышения давления в наддувочных агрегатах). В двигателе без наддува давление воздуха перед ци­линдром определяется давлением окружающей среды.

Среднее давление газов за цилиндром (в выпускном патрубке)  или  в двигателях с наддувом находится в прямой зависимо­сти от давления воздуха перед цилиндром (в ресивере)  и сопро­тивления продувочно-выпускного тракта цилиндра, в основном определяемого сопротивлением продувочно-выпускных окон или клапанов

                                (10.5)

где  — коэффициент потери давления (для двухтактных дизелей ).

В отличие от двухтактных двигателей, в которых давление  всегда больше , четырехтактные могут работать с разными со­отношениями давлений. В большинстве случаев , но в це­лях повышения мощности турбины не исключена возможность работы при .

В двигателях с выпуском в атмосферу давление  зависит от сопротивлений выпускного трубопровода утилизационного кот­ла и глушителя шума на выпуске и лежит в пределах абсолютного давления  Такое же давление характери­зует условия в выпускном трубопроводе за турбиной в двигателе с газотурбонагнетателем (ГТН).

Температура наддувочного воздуха

                       (10.6)

где  — температура окружающего воздуха, °С;  — степень повышения давления в наддувочных агрегатах;

 — показатель политропы сжатия воздуха в нагнетателе (для центробежных нагнетателей  для поршневых насосов )

В современных дизелях T_k достигает 140°С.

 Температура воздуха перед цилиндром (в ресивере) T_s  (после сжатия в наддувочных агрегатах воздух обычно направляется в воздухоохладитель и лишь, затем поступает в ресивер)

                       (10.7)

где  — температура забортной воды на входе в воздухоохладитель, °С.

В двигателях без наддува температура воздуха перед цилиндра­ми определяется температурой охлаждающей среды Т₀.

Газообмен в четырехтактном дизеле. На газообмен в четы­рехтактном цикле отводятся два хода поршня. В действительности для более полной очистки цилиндра от продуктов сгорания и луч­шего наполнения свежим воздухом впускные и выпускные клапа­ны, как это видно из диаграммы газораспределения (рис. 10.5), приходится открывать раньше, а закрывать позже. В итоге продол­жительность газообмена занимает более двух ходов поршня и со­стоит из следующих периодов: свободного выпуска bb’ выпуска b’r продувки r"rr' наполнения rа' и дозарядки а'а.

Для более подробного ознакомления с процессами газообмена рассмотрим рис. 10.6, на котором приведены кривые изменения давлений в цилиндре , в выпускном патрубке  и в ресивере  в функции угла поворота коленвала. Здесь же нанесены моменты откры­тия и закрытия клапанов.

Свободный выпуск начинается в момент открытия выпускного клапана, осуществляемого за 20—50° п. к. в. до прихода поршня в НМТ, поэтому расширение газов в цилиндре заканчивается ра­нее — в точке b. Давление в цилиндре в этот момент равно 0,88 МПа, а давление в выпускном патрубке — 0,16 МПа. Столь значитель­ная разница способствует тому, что, несмотря на продолжающееся движение поршня вниз, газы с большой скоростью устремляются из цилиндра в выпускной патрубок. Из-за малого объема патрубка и выпускного тракта, по которому газ направляется к газовой турбине, давление в нем резко поднимается и возникает  импульс давления (на рисунке отмечен цифрой 1). Продолжительность свобод­ного выпуска bb' приблизительно соответствует углу предварения открытия выпускного клапана  (см. рис. 10.5).

Выпуск условно начинается в НМТ и продолжается в течение всего хода поршня к ВМТ. В начальной фазе восходящего движе­ния поршня эффект выталкивания невелик, так как около мертвой точки мала скорость поршня, и истечение из цилиндра происходит в основном вследствие перепада давлений (р_ц — р_т). В дальней­шем скорость поршня увеличивается, в средней части достигает максимума, растет и масса выталкиваемого газа. Это приводит к вторичному повышению давления (цифра 2, см. рис. 10.6) в вы­пускном патрубке, на которое существенно влияет также пер­вый импульс давления.

В силу увеличивающегося сопротивления истечению газа из ци­линдра падение давления в нем в это время замедляется. Изменение массы заключенного в цилиндре газа характеризуется кривой G_цг.

Продувка начинается с открытием впускного клапана (ориен­тировочно за 30—50° п. к. в. до прихода поршня в ВМТ) — r" и за­канчивается в момент закрытия выпускного клапана (40-70° п.к.в. за ВМТ) — r'. К моменту полного открытия выпускного клапана давление р_ц оказывается равным, а затем и ниже давления возду­ха в ресивере p_s — точка 3, благодаря чему он получает возмож­ность поступать в цилиндр, несмотря на продолжающееся движение поршня вверх. Давление в выпускном патрубке p_т еще ниже (р_т< р_ц <р_s); оставшиеся в камере сжатия газы вытесняются воз­духом и уходят вместе с ним в выпускной тракт. Падение давления в цилиндре и выпускном патрубке продолжа­ется на протяжении всего периода продувки, и разность давлений  наибольшего значения (4) достигает в то время, когда пор­шень, двигаясь вниз, приобретает максимальную скорость. Это спо­собствует еще большему поступлению воздуха в камеру сжатия и ее продувке.

Благодаря продувке обеспечивается возможность заполнения воздухом не только объема цилиндра, описываемого ходом поршня, но и объема камеры сжатия. Наличие периода продувки способст­вует также снижению температур стенок камеры, выпускного кла­пана и его седла, температуры выпускных газов, а это положи­тельно сказывается на ресурсе газовой турбины.

Поэтому в двигателях с высоким наддувом, где проблема теплонапряженности особенно остра, идут на увеличение фазы перекры­тия клапанов: в отдельных двигателях она достигает 150° п. к. в.

Наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха фактически на­чинается вблизи ВМТ и вначале, до закрытия выпускного клапа­на — r', протекает одновременно с продувкой. Окончание напол­нения совпадает с приходом поршня в НМТ.

После закрытия выпускного клапана значение и характер из­менения давления в выпускном тракте несущественны. Не оказы­вает влияния и то обстоятельство, что к патрубку в этот момент подходит волна давления (5), возникшая благодаря начавшему­ся свободному выпуску и появлению импульса давления в цилиндре, объединенном с рассматриваемым общим выпускным трактом.

К окончанию наполнения давление в цилиндре р_ц поднимает­ся и достигает значения p_s.

Дозарядка продолжается от НМТ, и, хотя поршень пошел вверх, воздух продолжает поступать через открытый клапан в цилиндр вследствие отсасывающего действия столба движущегося по инер­ции по впускному тракту воздуха, а также вследствие существо­вания положительной разности р_s - р_ц. В последней фазе дозарядки из-за движения поршня вверх давление в цилиндре р_ц начинает расти, несмотря на все еще открытый впускной кла­пан. Здесь сказывается дросселирование воздуха в уменьшающей­ся щели под клапаном (поскольку он начал закрываться). С закры­тием впускного клапана (а) дозарядка и газообмен завершаются. Общая продолжительность газообмена четырехтактного двигателя составляет 400—500° п.  к. в.

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2010 г.и. Стр. 20-30

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. 2008 г.и. Стр. 27-38

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация - 1990 г.и. Стр. 200-204